용융탄산염형 연료전지 스택의 균질 물성치 추정에 관한 연구

Abstract

용융탄산염형 연료전지 시스템의 성능 향상을 위해 핵심 부분인 스택을 수치적으로 모사할 필요성이 대두되고 있다. 스택은 다양한 재질, 즉 금속, 세라믹, 폴리머 등으로 이루어져 있고 또한 단위전지 수백 장이 적층되어 제작되기 때문에 이를 전부 세세히 모델링하여 고려하는 것은 거의 불가능하다. 이에 따라 스택 전체를 하나의 균질한 물질로 대체할 수 있는 균질 물성치 도출이 요구되고 있다. 본 논문에서는 단위전지 압축률을 도입하고 모든 압축 변형이 분리판과 매트릭스에서만 일어난다는 등의 몇 가지 기본 가정 하에서 스택의 두 가지 영역, 즉 활성 영역과 매니폴드 영역에서 각각 균질 물성치를 추정하였다. 추정된 물성치를 실제 문제에 적용하여 성공적인 결과를 얻을 수 있었다. The performance and efficiency of a Molten Carbonate Fuel Cell system will improve with the aids of numerical simulations such as finite element analysis. For best simulation results, the virtual model must accurately reflect the actual model including the material properties. It is very difficult, however, to make a detailed numerical model of the stack that consists of hundreds of layers of unit cells composed of various materials like metal, ceramics, polymer, etc. Instead, a practical approach is to find a homogenized material property of the stack as a whole as an approximate replacement. In this paper, the compression ratio of a unit cell is introduced, and a new method is proposed to estimate the homogeneous material properties for both the active and the manifold regions of the stack under the assumption that the compressive deformation occurs only at the separators and matrices in the unit cells. The estimated properties are applied successfully to simulating an actual stack.